电子束的偏转与聚焦现象

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一、试验目的

1、了解示波管的构造和工作原理，分析电子束在匀强电场和匀强磁场作用下的偏转状况；

2、学会使用数字万能表和聚焦法测量电子荷质比的方法。二、试验原理1、示波管的结构

示波管又称为阴极射线管，其密封在高真空的玻璃壳之中，它的构造如图1所示，主要包括三个部分：前端为荧光屏，（S，其用来将电子束的动能变为光），中间为偏转系统（Y：垂直偏转板，X：水平偏转板），后端为电子枪（K：阴极，G：栅极，A1：聚焦阳极，A2：其次阳极，A3：前加速阳极）。灯丝H用6.3V交流供电，其作用是将阴极加热，使阴极发射电子，电子受阳极的作用而加速。2、电聚焦原理

电子射线束的聚焦是电子束管必需解决的问题。在示波管中，阴极被加热发射电子，电子受阳极产生的正电场作用而加速运动，同时又受栅极产生的负电场作用只有一部分电子能够通过栅微小孔而飞向阳极。栅极G的电压一般要比阴极K的电压低20~100V,由阴极发射电子，受到栅极与阴极间减速电场的作用，初速度小的电子被阻挡，而那些初速度大的电子可以通过栅极射向荧光屏。所以调理栅极电压的高低可以控制射向荧光屏的电子数，从而控制荧光屏上的辉度。当栅极上的电压负到一定的程度时，可使电子射线截止，辉度为0。加速电极的电压比阴极电位高几百伏至上千伏。前加速阳极，聚焦阳极和其次阳极是由同轴的金属圆筒组成。由于各电极上的电压不同，在它们之间形成了弯曲的等势面、电场线。这样就使电子束的路径发生弯曲，这类似光线通过透镜那样产生了会聚和发散，这种电器组合称为电子透镜。改变电极间的电压分布，可以改变等势面的弯曲程度，从而达到电子束的聚焦。3、电偏转原理

在示波管中，电子从被加热的阴极K逸出后，由于受到阳极电场的加速作用，使电子获得沿示波管轴向的动能。令Z轴沿示波管的管轴方向从灯丝位置指向荧光屏；同时，从荧光屏上看，令X轴为水平方向向右，Y轴为垂直方向向上。假定电子从阴极逸出是初速度忽略不计，则电子经过电势差为U的空间后，电场力做的功eU应等于电子获得的动能eU?1mv(1)22显然，电子沿Z轴运动的速度vz与其次阳极A2的电压U2的平方根成正比，即2eU2VZ?(2)m若在电子运动的垂直方向加一横向电场，电子在该电场作用下将发生横向偏转，如图2所示。若偏转板板长为l、偏转板末端到屏的距离为L、偏转电极间距离为d、轴向加速电压（即其次阳极A2电压）为U2，横向偏转电压为Ud，则荧光屏上光点的横向偏转量D由下式给出：lUdlD?(L?)?(3)2U22d由式（3）可知，当U2不变时，偏转量D随Ud的增加而线性增加。所以，根据屏上光点位移与偏转电压的线性关系，可以将示波管做成测量电压的工具。若改变加速电压U2，适当调理U1到最正确聚焦，可以测定D-Ud直线随U2改变而使斜率改变的状况。4、磁偏转原理

电子通过A2后，若在垂直Z轴的X方向外加一个均匀磁场，那么以速度v飞越子电子在Y方向上也会发生偏转，如下图。由于电子受洛伦兹力F=eBv作用，F的大小不变，方向与速度方向垂直，因此电子在F的作用下做匀速圆周运动，洛伦兹力就是向心力，即有eBv=mv2/R，所以电子离开磁场后将沿圆切线方向飞出，直射到达荧光屏。在偏转角φ较小的状况下，近似的有（5）式中，l为磁场宽度，D为电子在荧光屏上亮点的偏转量（忽略荧光屏的微小弯曲），L为从横向磁场中心到荧光屏的距离。由此可得偏转量D与外加磁场B、加速电压U2等的关系为R?mV(4)(5)(6)ZeBtan??l?LRDeD?lBL2mU2试验中的外加横向磁场由一对载流线圈产生，其大小为B?K?0